A ligandum réz(II)komplexei

Potenciometriás és spektroszkópiás méréseket végeztünk a ligandum réz(II)ionokkal alkotott komplexeinek tanulmányozására. Elsősorban ekvimoláris elegyben és fémfelesleg jelenlétében kívántunk vizsgálatokat végezni, ám 2:1 fém-ligandum aránynál a lúgos pH-tartományban csapadék kiválását észleltük. Azonban 1:1 és 1,5:1 (a továbbiakban 3:2 arányként jelölöm) réz(II)-ligandum aránynál a teljes pH-tartományban vízoldható, kék színű komplexek képződtek. A különböző fém-ligandum arányú rendszerek titrálási görbéi a 10. ábrán láthatók.

26

10. ábra: A ligandum (1.), az L-Cu(II) 1:1 (2.) és az L-Cu(II) 2:3 (3.) arányú rendszerének titrálási görbéi a ligandumra vonatkoztatott ekvivalens lúgmennyiség függvényében.

A titrálási görbéket összehasonlítva megállapítható, hogy 1:1 és 3:2 aránynál is már alacsony pH-n elindul a komplexképződés, hiszen már pH 3-tól számottevően különbözik a csak ligandumot ill. a ligandum + fémiont tartalmazó oldatok titrálási görbéinek lefutása.

Réz(II)-ligandum 1:1 aránynál pH 4 előtt 3 deprotonálódás történik, ami alapján a CuH3L komplex képződése feltételezhető. A lúgos tartományban a fémionokat tartalmazó oldatok görbéi nem fedik a ligandum görbéjét, azaz mindkét fém-ligandum aránynál „extra”

deprotonált részecskék képződésére lehet számítani; ezek a protonvesztések a trenHis3

ligandum szerkezetét tekintve amidnitrogén, a hisztidin pirrolszerű (N1) nitrogénjének, vagy koordinált vízmolekula deprotonálódásához rendelhetők. Fémfelesleg jelenlétében már a savas pH-tartományban többmagvú komplexek képződése történik, a 2. és 3. görbék már pH 3 után elválnak egymástól.

A képződő komplexek szerkezetének tanulmányozása végett pH-függő UV-Vis, CD illetve ESR spektroszkópiás vizsgálatokat végeztünk. A mért spektrumsorozatok a 11-15.

ábrákon láthatók.

300 400 500 600 700 800

A

27

300 400 500 600 700 800 900

A

300 400 500 600 700 800

(fok*mol-1*dm2)

28

300 400 500 600 700 800

(fok*mol-1*dm2)

A képződő komplexek stabilitási állandóinak meghatározásához pH-metriás titrálásainkat, valamint az igen karakteres pH-függést mutató CD spektrumokat vettük alapul Az ezek együttes kiértékeléséből nyert állandókat a 2. táblázat, az egyedi moláris CD spektrumokat a 17. ábra mutatja be. Az állandók figyelembevételével számolt eloszlásgörbék, valamint az egyedi moláris elektrongerjesztési spektrumok a 16. és 18.

ábrán láthatóak.

15. ábra: pH-függő ESR spektrumok a L-Cu(II) 1:1 (balra) és L-Cu(II) 2:3 (jobbra) arányú rendszerekben (clig = 1,810^-3 M, I = 0,1 M, T = 25 ^oC).

29

2. táblázat: A vizsgált réz(II)komplexek stabilitási állandói.

CupHqLr logpqr pKpqr CupHqLr logpqr pKpqr

16. ábra: A L-Cu(II) 1:1 (fent) és 2:3 (lent) arányú rendszerekben számolt eloszlásgörbék (clig = 2,510^-3 M, I = 0,1 M, T = 25 ^oC).

30

300 400 500 600 700 800

egyedi moláris ellipticitás (fok*mol-1*dm2)

l (nm)

300 400 500 600 700 800

egyedi moláris ellipticitás (fok*mol-1*dm2)

l (nm)

17. ábra: A L-Cu 1:1 (fent) és 2:3 (lent) összetételű komplexeinek egyedi moláris CD spektrumai.

31

400 500 600 700 800 900

(M-1*cm-1)

400 500 600 700 800 900

(M-1*cm-1)

18. ábra: A L-Cu 1:1 (fent) és 2:3 (lent) összetételű komplexeinek egyedi moláris UV-látható spektrumai.

A fémion-ligandum 1:1 arányú rendszerben pH ~ 7-ig szinte kizárólag a protonált CuL komplexek vannak jelen (CuH3L, CuH2L, CuHL). pH 4 körül szinte teljesen eltűnik a szabad fémion, ami a ligandum kiemelkedően nagy fémion-affinitására utal. A szabad N-terminális hisztidint tartalmazó peptidekre általánosan jellemző a nagy stabilitású hisztamin-típusú koordináció [28]. Mivel esetünkben már 1:1 fém-ligandum arány mellett is lehetőség van a még erősebb fémkötést biztosító bisz-hisztamin vagy {2NH₂,2N_im} típusú kötődésre, ezért logikus feltételezés, hogy egy ilyen típusú szerkezet már a CuH₂L komplexben kialakul. Mivel a harmadik „láb” koordinációja még a CuL komplexben sem feltételezhető (ld. később), fentiekből az következne, hogy a CuH2L → CuHL → CuL deprotonálódások során a fémion környezete nem változik. Ugyanakkor fenti komplexek CD spektrumai jelentős szerkezetváltozásról tanúskodnak a deprotonálódási lépések során.

A mért UV-látható spektrumon nyilakkal tüntettem fel a réz(II) d-d sávjainak eltolódását (11. ábra): a pH ~ 5-8 közötti pH-tartományban (fenti deprotonálódási lépések során) a

32

maximum a kisebb energiák felé tolódik el (608 nm → 630 nm). Az ilyen ún. vörös eltolódást a réz(II)komplexek esetében okozhatja például axiális koordináció, vagy a ligandumtér torzulása is, mivel az oktaéderes szimmetria torzulásával a d-pályák energiája felhasad, s a d-d átmenet átlagos gerjesztési energiája lecsökken. A bisz-hisztamin koordinációval rendelkező Cu(His-Gly)2 komplex kristályszerkezete a réz(II) körül erősen torzult ekvatoriális síkot mutat [29]. Egy korábban a tanszéken vizsgált bisz-hisztamin kelátszerkezetet kialakító ligandum réz(II)komplexének d-d sávja ~ 630 nm-nél mutat maximumot [30], ami jó egyezést mutat a CuL komplex egyedi UV-látható spektrumának maximumhelyével (18. ábra). Mindezek alapján azt feltételezzük, hogy a CuH2L komplexben {Namin,2Nim} vagy {Namin,3Nim} koordináció valósul meg, ami fokozatosan átrendeződik, és a bisz-hisztamin (vagy {2NH2,2Nim}) típusú kötődés csak a CuL komplexben alakul ki. Ezen koordinációs mód kitüntetett stabilitása azt eredményezi, hogy a CuL komplex – más réz(II)-peptidkomplexekkel összehasonlítva – csak viszonylag magas pH-n alakul tovább CuH–1L és CuH–2L komplexek képződésével (pK = 9,11 és 10,89). E komplexek CD spektrumai látványos jelalakváltozást szenvednek az extra-deprotonálódások hatására, ami komoly szerkezeti átalakulásra utal. Megfigyelhető továbbá, hogy a látható spektrum pH 8-tól, a CuL komplex továbbalakulásával a nagyobb energiák felé kezd eltolódni, s az intenzitás is nő, ami az ekvatoriális sík torzulásának csökkenését (azaz a bisz-kelát szerkezet felbomlását) és/vagy erősebb terű ligandum koordinációját (pl. imidazol pirrolszerű nitrogénje, vagy amidnitrogén) jelezheti (a koordinált víz deprotonálódásával ezek a változások kevésbé magyarázhatóak).

A pH ~ 8 feletti folyamatok értelmezéshez azonban figyelembe kell vennünk ESR spektrumainkat is. Ahogy a 15. ábrán megfigyelhető, pH ~ 8 fölött a finomszerkezetet mutató spektrum szélesedni kezd, s a lúgos pH-tartományban egyetlen széles, szingulett jellé válik (ami mellett csak kis intenzitású monomer komplexre jellemző jel detektálható).

Ez a jelenség közeli réz(II)centrumok kölcsönhatását mutatja, ami arra utal, hogy a lúgos tartományban tetemes mennyiségű dimer/többmagvú komplex van jelen. Ennek figyelembevételével megpróbáltuk rendszereinket a CuH–2L komplex képződése nélkül értelmezni. Ezzel e feltételezéssel élve már 1:1 aránynál is nagy mennyiségű hárommagvú komplex képződik, vagyis az ESR eredményekkel összhangba kerültünk, ám a pH-függő CD és UV-látható spektrumok csak nagy hibával írhatóak le a lúgos tartományban kizárólag hárommagvú komplexek feltételezésével. Mindhárom független kísérleti módszer eredményeivel csak a CuH–1L és CuH–2L komplexek részleges dimerizációjának (CuH_-1L  Cu2H_-2L₂, CuH_-2L  Cu2H_-4L₂,) feltételezésével kerülhetünk összhangba. Az

33

ilyen dimerizációs folyamatoknak a figyelembevétele azonban a korábbiaknál szélesebb koncentrációtartományban elvégzett potenciometriás vizsgálatokat igényel, így jelenleg kénytelenek vagyunk ezektől eltekinteni. Az ESR titrálások egyensúlyi szempontból történő kiértékelése további információkat szolgáltathat ezekről a folyamatokról. A dimer szerkezet elképzelhető olyan módon, hogy két monomer komplex egy-egy fémionhoz nem kötödő „lába” kölcsönösen egymás réz(II)centrumaihoz koordinálódik. Ezen jelenség részletesebb feltérképezéséhez további vizsgálatok szükségesek.

A réz(II)-ligandum 3:2 aránynál számolt eloszlásgörbék – a titrálási görbékből, CD, UV-látható és ESR mérésekből levonható következtetéssel összhangban – már 4-es pH felett többmagvú, 3:2 fém(II)-ligandum arányú komplexek képződésére utalnak. Két ligandum összesen 6-6 aminocsoporttal és imidazolgyűrűvel kötődhet a fémionokhoz. Az elsőként megjelenő, pH ~ 4-es képződési maximummal rendelkező hárommagvú Cu3H3L2

komplexben összesen 9 nem-protonált nitrogén van, amiből következik, hogy a rézionok átlagosan 3 nitrogén által koordináltak (ez már elegendően nagy stabilitást biztosít e komplex viszonylag alacsony pH-n történő megjelenéséhez). Ezen komplex CD spektruma nagy hasonlóságot mutat a monomer CuH₃L spektrumához. Hasonló módon, az egymással erősen átfedő deprotonálódási lépésekben pH 6-ra kialakuló Cu3L₂ komplex CD spektruma nagy rokonságot mutat a monomer CuL komplex spektrumával. A 3:2 fém(II)-ligandum arányú komplexek lehetséges sematikus szerkezetei, melyeket a 19. ábrán mutatok be, magyarázatot adhatnak erre a hasonlóságra.

(a) (b) (c)

19. ábra: A 3:2 réz(II)-ligandum arányú komplexek lehetséges sematikus szerkezetei.

Mindhárom feltételezett szerkezetre igaz, hogy két ligandum „láb” által kialakított bisz-hisztamin típusú kötőhelyhez koordinálódnak a fémionok. Az (a) és (c) szerkezet valódi 3 réz - 2 ligandum összetételt jelent, köztük a lényeges különbség, hogy (c) esetében a három réz(II)ion és a hisztidin alegységek kémiai környezete gyakorlatilag ekvivalens

34

(ellentétben az (a) szerkezettel, ahol két réz egy-egy ligandum által kötött, míg a harmadik a két ligandum kimaradó lába által koordinált). A (b) szerkezetnél egy ligandum minden lába más-más fémionhoz kötődik, így egy térhálós szerkezet alakul ki. Megjegyzendő, hogy utóbbi esetben a makroszkopikus 3:2 réz(II)-ligandum arány megközelítéséhez igen nagy aggregátum kialakulására lenne szükség, ami az általunk vizsgált híg oldatokban nem valószínűsíthető. Bár a (c) szerkezet kialakulása sem zárható ki, a CuL és Cu3L2

komplexek domináns megjelenése pH 6-8 között mégis inkább (a) szerkezettel vannak összhangban.

A 3:2 fém-ligandum aránynál mért ESR, illetve látható spektrumok pH ~ 6 felett kezdenek változást mutatni, ami egybecseng a Cu3L2 komplex továbbalakulásával, az

„extra” deprotonáltsági állapotú komplexek megjelenésével. Az ESR spektrumokon egyre inkább csak a közeli, kölcsönható rezek által okozott szingulett jel látható. A CD spektrumok a Cu₃H_-4L₂ és Cu₃H_-5L₂ részecskék képződésével párhuzamosan utalnak drámai szerkezetváltozásra.

A tapasztalt deprotonálódások egy-egy csoporthoz való hozzárendelésekor a lehetséges donorcsoportok bősége miatt nehéz állást foglalni. Az ESR spektrumok alapján az egymással spin-spin csatolásban álló réz(II)centrumok egyértelműen az extra-deprotonálódást szenvedett komplexekhez rendelhetők. Az ilyen kölcsönhatást tipikusan a mindkét fémionhoz kötődő hídligandumok - mint pl. OH^- vagy hisztidin-imidazolát – közvetítik. A tapasztalat szerint azonban a hidroxohíd kialakulása a két réz(II)ion között olyan erős antiferromágneses kölcsönhatást idéz elő, minek következtében az ESR jel eltűnik (nem detektálható). Az általunk vizsgált esetekben ilyen „ESR-csendes” tartományt nem észleltünk, ezért valószínűbb lehet a rézcentrumok imidazolát-hidakon keresztüli kapcsolata (de a párosítatlan elektronok kölcsönhatása hídligandum nélkül, a téren keresztül is megvalósulhat).